半导体器件及其制备方法与流程

本发明涉及半导体技术领域，具体而言，涉及一种半导体器件及其制备方法。

背景技术：

以高al组分alxga1-xn(x>0.4)材料为核心的深紫外(duv)发光器件与光电探测器件在杀菌消毒、数据存储、生化探测、海上油监、高压电弧监测、保密通信、导弹预警等军民用领域有着广泛而深刻的应用前景，近年来受到越来越多的关注。研制高性能algan基duv发光器件与光电探测器件的关键之一在于高质量aln衬底/模板的制备。但现有的aln衬底/模板的制备效率和制备质量都有待提高。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明提供了一种半导体器件及其制备方法。

本发明提供的技术方案如下：

一种半导体器件的制备方法，包括：

提供一衬底；

将所述衬底置于反应腔内进行表面清洁，并在所述衬底表面形成外延生长台阶；

在所述衬底形成外延生长台阶的一侧制作aln成核层；

在所述aln成核层远离所述衬底一侧制作表面调制aln外延层，并采用激光原位监测所述半导体器件的表面形貌，在监测到所述半导体器件的表面形貌的反射率波谷符合预设条件时，结束所述表面调制aln外延层的制作；

在高速生长条件下，在所述表面调制aln外延层远离所述aln成核层的一侧制作形成aln厚膜，其中，所述高速生长条件包括以下条件中的一种或多种：

将所述反应腔内的制备温度提高至1150℃-1500℃，所述制备温度为生长时所述半导体器件表面的实际温度；

将输入所述反应腔内所述iii族金属源的源瓶的气压设置为600-1300mbar；

将输入所述反应腔内的iii族金属源流量设置为10-300μmol/min；及

将输入所述反应腔内的v族源与iii族金属源的摩尔比设置为10-5000。

进一步地，在所述衬底形成外延生长台阶的一侧制作aln成核层的制备温度为650℃-1000℃，所述aln成核层的厚度为10-80nm。

进一步地，在所述衬底形成外延生长台阶的一侧制作aln成核层的制备温度为650℃-1000℃，所述aln成核层的厚度为10-100nm。

进一步地，所述预设条件为所述半导体器件的表面形貌的反射率波谷下降或上升20％-80％。

进一步地，在所述aln成核层远离所述衬底一侧制作表面调制aln外延层的制备温度为1000℃-1150℃。

进一步地，所述表面调制aln外延层的厚度为100-600nm。

进一步地，所述iii族金属源为三甲基铝tmal，所述v族源为氨气nh3，该v族源氨气nh3的流量1-270mmol/min，其中，所述iii族金属源tmal与v族源nh3的流量为换算成每一片2英寸衬底的流量值。

进一步地，所述半导体器件采用金属有机化学气相沉积mocvd设备进行制备。

本发明还提供了一种半导体器件，包括：

衬底，所述衬底一侧制作形成外延生长台阶；

制作于所述衬底制作所述外延生长台阶一侧的aln成核层；

制作于所述aln成核层远离所述衬底一侧的表面调制aln外延层；

制作于所述表面调制aln外延层远离所述aln成核层一侧的aln厚膜，所述aln厚膜是在高速生长条件下制备的，其中，所述高速生长条件包括以下条件中的一种或多种：

将所述反应腔内的制备温度提高至1150℃-1500℃，所述制备温度为生长时所述半导体器件表面的实际温度；

将输入所述反应腔内所述iii族金属源的源瓶的气压设置为600-1300mbar；

将输入所述反应腔内的iii族金属源流量设置为10-300μmol/min；及

将输入所述反应腔内的v族源与iii族金属源的摩尔比设置为10-5000。

进一步地，所述iii族金属源为三甲基铝tmal，所述v族源为氨气nh3，该v族源氨气nh3的流量1-270mmol/min，其中，所述iii族金属源tmal与v族源nh3的流量为换算成每一片2英寸衬底的流量值。

在本申请实施例中，在制备aln厚膜时，先在衬底表面制作形成aln成核层和表面调制aln外延层，制备形成的表面调制aln外延层能够促进位错弯曲湮没，降低外延结构的位错密度，可以提高外延结构的结晶质量。此外，在制作aln厚膜时，在高速生长条件下进行制备，使得aln厚膜的制备速率更快，可以在短时间内制备得到厚度更厚、质量更好的aln厚膜。制备得到的aln厚膜表面更光滑，晶体质量更好，利于aln厚膜制备的大规模产业应用。

为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本发明实施例提供的一种半导体器件的制备方法的流程示意图。

图2为本发明实施例提供的一种半导体器件的制备方法中步骤s101对应的示意图。

图3为本发明实施例提供的一种半导体器件的制备方法中步骤s103对应的示意图。

图4为本发明实施例提供的一种半导体器件的制备方法中步骤s104对应的示意图。

图5为本发明实施例提供的一种半导体器件的制备方法中步骤s105对应的示意图。

图6为本发明实施例提供的一种半导体器件的剖面结构示意图。

图标：10-半导体器件；101-衬底；102-aln成核层；103-表面调制aln外延层；104-aln厚膜。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。同时，在本发明的描述中，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

发明人发现，目前商业化的aln衬底价格昂贵而且难以获得，在蓝宝石或者碳化硅(sic)衬底上采用金属有机化学气相沉积法(mocvd)制备的aln模板成为了一种选择。但是由于衬底与aln外延层的晶格失配与热失配较大、al原子表面迁移能力较弱、前驱体预反应严重等问题，目前制备的aln模板普遍具有非常高的位错密度，其位错密度一般可以达到10⁹-1010cm^-2，并且这样制备的aln模板表面粗糙。

厚度大于2μm的aln厚模板能够给上层提供更加坚固的支撑，支持器件结构设计的多样性，而当前普遍采用的制备技术制备aln厚模板存在着生长速率偏低的问题，生长速率小于或等于1μm/h，这样低的制备速度非常不利于aln厚模板的规模化制备。即使采用其他快速生长aln厚模板的技术手段，虽然制备速度得到了提高，但反而造成了晶体质量的严重劣化，甚至使模板产生表面龟裂，无法在产业上得到大规模应用。

有鉴于此，为解决上述问题，本申请实施例提供了一种半导体器件10的制备方法，如图1所示，包括以下步骤s101-步骤s105。

步骤s101，如图2所示，提供一衬底101。

衬底101可以采用蓝宝石衬底、硅衬底、碳化硅衬底或其他材料的衬底，本申请实施例对衬底101的材料并不做出限制。

步骤s102，对所述衬底101进行表面清洁，并在所述衬底101表面形成外延生长台阶。

在进行器件的制备时，可以先对衬底101表面进行清洁，可以将衬底101放置于反应腔内，在h2环境下降反应腔屋内的升温至1050℃，高温烘烤10min。采用高温烘烤的方法实现对衬底101表面的清洁，并可以采用h2刻蚀衬底101的表面，在衬底101一侧形成外延生长台阶，制作有外延生长台阶的衬底101可以更有利于其他材料的生长。

步骤s103，如图3所示，在所述衬底101形成外延生长台阶的一侧制作aln成核层102。

在对衬底101进行清洁和制作完成外延生长台阶后，可以制作aln成核层102。制作aln成核层102的制备温度可以为650℃-1000℃，所述aln成核层102的厚度为10-100nm。制备温度还可以为1000℃-1150℃，所述aln成核层102的厚度为100-600nm。可选的，可以在950℃下沉积厚度为30nm的aln成核层102，或者，在700℃下沉积厚度为20nm的aln成核层102。或者，在900℃下沉积厚度为20nm的aln成核层102。制备aln成核层102时，可以分别采用氨气(nh3)与三甲基铝(tmal)作为v族源(即氮n源)和iii族金属源(即铝al源)，载气可以为h2。

步骤s104，如图4所示，在所述aln成核层102远离所述衬底101一侧制作表面调制aln外延层103，其中，采用激光原位监测所述半导体器件10的表面形貌，在监测到所述表面形貌的反射率波谷符合预设条件时，结束所述表面调制aln外延层103的制作。

表面调制aln外延层103的制备温度可以为1000℃-1150℃，所述表面调制aln外延层103的厚度可以为100-600nm。并且可以在监测到所述表面形貌的反射率波谷下降或上升20％-80％时，结束所述表面调制aln外延层103的制作。

可选的，在950℃下沉积厚度为30nm的aln成核层102之后，可以将反应腔温度升高至1000℃，在aln成核层102的表面上沉积aln外延材料，形成表面调制aln外延层103。在制备表面调制aln外延层103过程中，可以采用波长为405nm的激光对生长表面调制aln外延层103的器件表面进行原位监测以获取表面形貌信息，当原位监测反射率曲线波谷强度相较第一个周期下降80％时结束该层的生长。此时表面调制表面调制aln外延层103的厚度约为500nm。

当在700℃下沉积形成厚度为20nm的aln成核层102之后，可以将反应腔温度升高到1100℃，制备表面调制aln外延层103。仍然可以通过波长为405nm的激光对生长表面调制aln外延层103的器件表面进行原位监测以获取表面形貌信息。当原位监测反射率曲线波谷强度相较第一个周期上升20％时结束该层的生长。此时表面调制aln外延层103的厚度约为600nm。

或者，在900℃下沉积厚度为20nm的aln成核层102之后，可以将反应腔温度升高到1000℃，制备表面调制aln外延层103。通过波长为405nm的激光对生长表面调制aln外延层103的器件表面进行原位监测以获取表面形貌信息。当原位监测反射率曲线波谷强度相较第一个周期上升30％时结束该层的生长。此时表面调制aln外延层103的厚度约为300nm。

可以理解的是，本申请实施例并不限制表面调制aln外延层103的制备条件，其制备温度以及结束生长的时机可以根据实际需要确定。

步骤s105，如图5所示，在高速生长条件下，在所述表面调制aln外延层103远离所述aln成核层102的一侧制作形成aln厚膜104，其中所述高速生长条件包括提高制备温度、降低金属源瓶气压、提高iii族金属源流量和降低v族源与iii族金属源的摩尔比中的一种或多种条件。

在本申请实施例中，在制作aln厚膜104时，为了实现更高的生长速率，可以通过在提高制备温度、降低金属源瓶气压、提高iii族金属源流量和降低v族源与iii族金属源的摩尔比中的一种或多种条件下进行制备。iii族金属源可以采用三甲基铝tmal，v族源可以采用氨气nh3。

aln厚膜104的制备温度可以为1150℃-1500℃，所述aln厚膜104的厚度可以为1-6μm。iii族金属源瓶的气压可以为600-1300mbar；所述iii族金属源的流量可以为10-300μmol/min；v族源氨气nh3的流量可以为1-270mmol/min，其中，所述iii族金属源tmal与v族源nh3的流量为换算成每一片2英寸样品的值，输入所述反应腔内的v族源与iii族金属源的摩尔比设置为10-5000。

可选的，在上述制备完成500nm的表面调制aln外延层103后，可以将反应腔温度升高至1450℃，在高速生长条件下，沉积厚度为5μm的aln厚膜104。此时，反应腔的规格可以为3×2英寸，iii族金属源tmal的流量可以为218μmol/min，tmal源瓶气压可以为800mbar，v族源nh3的流量可以为268mmol/min。可实现生长速率高达3μm/h的高质量aln厚膜104，其x射线衍射(xrd)(002)与(102)面摇摆曲线半高宽可分别低至450arcsec与550arcsec。

或者，在上述制备完成600nm的表面调制aln外延层103后，将反应腔温度升高至1150℃，在高速生长条件下，沉积厚度为4μm的aln厚膜104。生长采用的反应腔规格可以为31×2英寸，iii族金属源tmal流量为110μmol/min，tmal源瓶气压为1300mbar，nh3流量为46.5mmol/min。最终可实现生长速率为2.9μm/h的高质量aln厚膜104的大批量制备，其xrd(002)与(102)面摇摆曲线半高宽可分别低至415arcsec与480arcsec。

或者，在上述制备完成300nm的表面调制aln外延层103后，将反应腔温度升高至1300℃，在高速生长条件下，沉积厚度为5μm的aln厚膜104。生长采用的反应腔规格仍然可以为3×2英寸，iii族金属源tmal流量为100μmol/min，tmal源瓶气压为850mbar，nh3流量为35mmol/min。最终可实现生长速率为2.5μm/h的高质量aln厚膜104，其xrd(002)与(102)面摇摆曲线半高宽可分别低至380arcsec与420arcsec。

可以理解的是，本申请并不限制制备aln厚膜104的具体制备温度等条件。通过上述制备方法，可以在表面调制aln外延层103的表面制备得到aln厚膜104，aln厚膜104的生长速率更快，相比其他生长方法，生长相同厚度aln厚膜104需要的时间更短，在相同时间内，本申请实施例中的制备方法制备得到的aln厚膜104的厚度也更厚，生长得到的aln厚膜104的质量也更好，更利于aln厚膜104的产业化。本申请实施例中的半导体器件10可以采用金属有机化学气相沉积mocvd设备进行制备。

综上所述，在本申请实施例中，在制备aln厚膜104时，先在衬底101表面制作形成aln成核层102和表面调制aln外延层103，制备形成的表面调制aln外延层103能够促进位错弯曲湮没，降低外延结构的位错密度，可以提高外延结构的结晶质量。此外，在制作aln厚膜104时，在高速生长条件进行制备，使得aln厚膜104的制备速率更快，可以在短时间内制备得到厚度更厚、质量更好的aln厚膜104。制备得到的aln厚膜104表面更光滑，晶体质量更好，利于aln厚膜104制备的大规模产业应用。

本申请实施例还提供了一种半导体器件10，该半导体器件10基于上述制备方法制备得到，如图6所示，该半导体器件10包括：

衬底101，所述衬底101一侧制作形成外延生长台阶；

制作于所述衬底101制作所述外延生长台阶一侧的aln成核层102；

制作于所述aln成核层102远离所述衬底101一侧的表面调制aln外延层103；

制作于所述表面调制aln外延层103远离所述aln成核层102一侧的aln厚膜104，所述aln厚膜104是在高速生长条件下制备的，所述高速生长条件包括：提高制备温度、降低金属源瓶气压、提高iii族金属源流量和降低v族源与iii族金属源的摩尔比中的一种或多种条件。

所述iii族金属源为三甲基铝tmal，所述iii族金属源的源瓶的气压为600-1300mbar；该iii族金属源tmal的流量10-300μmol/min；所述v族源为氨气nh3，该v族源氨气nh3的流量1-270mmol/min，其中，所述iii族金属源tmal与v族源nh3的流量为换算成每一片2英寸衬底的流量值，将输入所述反应腔内的v族源与iii族金属源的摩尔比设置为10-5000。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。